浅析超高亮LED的驱动功能与应用
发光二极管(Light Emitting Diode,LED)发明于20世纪60年代,它是利用半导体材料中的电子和空穴相互结合并释放出能量,使得能量带(Energy Gat,)位阶改变,以发光显示其所释放出的能量.LED具有体积小、寿命长、驱动电压低、耗电量低、反应速率快、耐震性佳等优点,被广泛应用于信号指示、数码显示等领域.随着技术的不断进步,超高亮LED的研制得到了成功,尤其是白光LED的研制成功,使得它越来越多地用在彩灯装饰、甚至照明领域.
1、超高亮LED的特点
与传统的照明灯相比,超高亮LED具有如下优点:
1)寿命长,可靠耐用,维护费用极为低廉LED可连续使用105h,比普通白炽灯泡长100倍;
2)高效率现在已经可以达到201m/w．预计到2005年将达到501m/W[1],LED)的光谱几乎全部集中于可见光频段,其发光效率可达80%~90%,LED比节能灯还要节能1/4;
3)色彩鲜艳,光色单纯 以12英寸的红色交通信号灯为例,它采用低光效的140W白炽灯作为光源,所产生的2000lm的白光经红色滤光片后,光损失90%,只剩下2001m的红光,而在Lumileds Lighting公司采用18个红色LED光源设计的灯中,包括电路损失在内,仅耗电14W,即可产生同样的光效;
4)点亮速度快 汽车信号灯是LED光源应用的一个重要领域,由于LED响应速度快(ns级),在汽车上安装高位LED刹车灯,可以减少汽车追尾事故的发生.
尽管超高亮LED具有许多优点,但目前仍存在下述缺点:
1)功率低市面上的单体LED功率一般在5W以下,还没有出现更大功率的LED,这是目前LED难以成为照明首选的最大瓶颈;
2)需要严格控制温度 LED是一种半导体材料,与普通二极管一样具有PN结,由于高亮二极管的功率相对比较大,所以与功率半导体器件相同,需要考虑散热问题,结温过高会直接影响LED的寿命,并且会增大LED的光衰,情况严重的会将LED烧坏;
3)价格高除了功率低,价格是LED难以成为照明的主要因素,虽然LED目前已被大多数人认识,也被多数人看好,但其高昂的价格难以被消费者接受.
2、超高亮LED的特性
HPWA-xH00是Lumileds Lighting公司的一种超高亮LED,本文以它为例分析超高亮LED的特性.图1为正向压降(VF)和正向电流的(IF)关系曲线,由曲线可知,当正向电压超过某个阈值(约2V),即通常所说的导通电压之后,可近似认为,IF与VF成正比.表1是当前主要超高亮LED的电气特性.由表1可知,当前超高亮LED的最高IF可达1A,而VF通常为3~4V.
由于LED的光特性通常都描述为电流的函数,而不是电压的函数,光通量(φV)与IF的关系曲线如图2所示,因此,采用恒流源驱动可以更好地控制亮度.此外,由表1可知LED的正向压降变化范围比较大(最大可达1V以上),而由图1中的VF-IF曲线可知,VF的微小变化会引起较大的,IF变化,从而引起亮度的较大变化.所以,采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性,并且影响LED的可靠性、寿命和光衰.因此,超高亮LED通常采用恒流源驱动.
图3是HPWA-xH00 LED的温度与光通量(φV)关系曲线,由图3可知光通量与温度成反比,85℃时的光通量是25℃时的一半,而一40℃时光输出是25℃时的1．8倍.温度的变化对LFD的波长也有一定的影响,因此,良好的散热是LED保持恒定亮度的保证.
3 超高亮LED的驱动电路
由于受到LED功率水平的限制,通常需同时驱动多个LED以满足亮度需求,因此,需要专门的驱动电路来点亮LED.下面简要介绍LED驱动的主要电路.
3．1 阻限流电路
如图4所示,电阻限流驱动电路是最简单的驱动电路,限流电阻按式(1)计算.
式中:Vin为电路的输入电压:
VF为IED的正向电流;
VF为LED在正向电流为,IF时的压降;
VD为防反二极管的压降(可选);
y为每串LED的数目;
x为并联LED的串数.
由图1可得LED的线性化数学模型为
式中:Vo为单个LED的开通压降;
Rs为单个LED的线性化等效串联电阻.
则式(1)限流电阻的计算可写为
当电阻选定后,电阻限流电路的IF与VF的关系为
由式(4)可知电阻限流电路简单,但是,在输入电压波动时,通过LED的电流也会跟随变化,因此调节性能差.另外,由于电阻R的接人损失的功率为xRIF,因此效率低.
3．2线性调节器
线性调节器的核心是利用工作于线性区的功率三极管或MOSFFET作为一动态可调电阻来控制负载.线性调节器有并联型和串联型两种.
图5(a)所示为并联型线性调节器又称为分流调节器(图中仅画出了一个LED,实际上负载可以是多个LED串联,下同),它与LED并联,当输入电压增大或者LED)减少时,通过分流调节器的电流将
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